CN201222180Y - 直流电加热炉炉衬膨胀变形保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直流电加热炉炉衬膨胀变形保护电路，其包括具有连接功率电阻端子的电加热炉控制器和电加热器，还包括信号检测和放大模块、比较模块、执行模块，信号检测和放大模块检测炉衬膨胀变形信号并将该信号放大，其输出端连接比较模块的输入端，比较模块将信号检测和放大模块输入的信号与设定值比较，其输出端连接执行模块的输入端，执行模块包括若干功率电阻并根据比较模块输入的信号调节所述电加热炉的温度，若干功率电阻串联后接入控制器连接功率电阻的端子。本电路依据炉衬的变形度来调节电加热炉的温度，避免炉衬的进一步变形而碰触到电加热器，从而避免电加热炉的损坏和引起安全事故。实现对金属炉衬膨胀变形的有效抑制。

Description

直流电加热炉炉衬膨胀变形保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种直流电加热炉炉衬膨胀变形的保护电路。

背景技术

现有温度控制技术主要是采用测温元件测得的温度参数，进行负反馈，然后对控制器进行调节以进行对象的温度控制；电流控制技术根据所用环境不同，采用电流或电压参数负反馈方式，也有气压反馈的方式。但上述的多种方式都无法对直流电加热炉炉衬受热膨胀度进行有效的监测和控制。

大型电加热炉广泛应用于冶金行业，炉内的壁衬经过长时间的高温受热及频繁的温度变换，大都会产生变形情况，由于电加热器所负载电流都很大，一般达到200A～400A，一旦金属炉衬膨胀变形就会碰触到电加热器，造成严重的质量事故和安全隐患。电加热炉的工作原理类似于家用电器“热得快”的电阻丝加热，电加热炉炉衬是一种金属材料，炉衬后的炉壁是由一些不同的绝缘材料构成，电加热炉的电加热器位于炉衬后的炉壁内；在使用较长时间后，炉衬长时间受热不均会产生膨胀变形隆起，严重的变形将损坏电加热炉，另外炉壁的绝缘性能分布不均，导致膨胀变形造成的危害分布不是很均匀，所以炉衬变形度与温度值并没有绝对的一一对应关系，考虑到炉内气体分布密度、气体流速、绝缘性能受热变化等一系列因素，膨胀度还带有一定的偶然性。因此仅知道温度升高导致炉衬膨胀变形这样一种趋势，所以通过测量温度无法得知炉衬变形度。通常的做法只是依据经验在炉衬变形时调节电加热炉的温度，以避免炉衬的进一步变形而损坏电加热炉。

上述的温度调节是通过电加热炉的控制电路实现的，该控制电路设有一功率调节旋钮，其相当于一个可变功率电阻，当可变功率电阻为0欧姆时，电加热器功率为0，电加热炉停止加温，而当可变功率电阻为满量程时电加热器工作功率最大。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种直流电加热炉炉衬膨胀变形的保护电路，其依据电加热炉炉衬的变形度来调节电加热炉的温度，避免炉衬的进一步变形而碰触到电加热器，从而避免电加热炉的损坏和引起安全事故。实现对金属炉衬膨胀变形的有效抑制。

为解决上述技术问题，本实用新型直流电加热炉炉衬膨胀变形保护电路包括电加热炉控制器和电加热器，所述控制器设有连接功率电阻的端子，所述功率电阻用以调节所述电加热炉的温度，还包括信号检测和放大模块、比较模块、执行模块，所述信号检测和放大模块检测电加热炉炉衬膨胀变形信号并将该信号放大，其输出端连接所述比较模块的输入端，所述比较模块将所述信号检测和放大模块输入的信号与设定值比较，其输出端连接所述执行模块的输入端，所述执行模块包括若干功率电阻并根据所述比较模块输入的信号调节所述电加热炉的温度，所述若干功率电阻串联后接入所述控制器连接功率电阻的端子。

上述信号检测和放大模块包括罗氏线圈、差分放大器和电阻R1，所述罗氏线圈输入端与所述电加热器并联，其输出端连接所述差分放大器的正、负输入端，所述电阻R1并联于所述差分放大器的正、负输入端；

上述比较模块包括比较器A1、A2、A3和设定电阻R2、R3、R4、R5，所述信号检测和放大模块差分放大器的输出端分别连接所述比较器A1、A2和A3的正输入端，所述电阻R2、R3、R4和R5串联连接，所述电阻R2的另一端连接电源正端，所述电阻R5的另一端接地，所述电阻R2和R3的连接点连接比较器A1的负输入端，所述电阻R3和R4的连接点连接比较器A2的负输入端，所述电阻R4和R5的连接点连接比较器A3的负输入端；

上述执行模块包括三极管Q1、Q2、Q3，三极管偏置电阻R6、R7、R8、R9、R10、R11，继电器J1、J2、J3，功率电阻R_r1、R_r2、R_r3，所述比较模块比较器A1、A2和A3的输出端分别通过偏置电阻R9、R10、R11连接三极管Q1、Q2、Q3的基极，所述偏置电阻R6、R7、R8一端分别连接所述比较模块比较器A1、A2和A3的输出端，所述偏置电阻R6、R7、R8的另一端接地，所述三极管Q1、Q2、Q3的发射极接地，所述继电器J1、J2、J3的线圈一端连接电源正端，其另一端分别连接三极管Q1、Q2、Q3的集电极，所述继电器J1、J2、J3的触点分别与功率电阻R_r1、R_r2、R_r3并联，所述功率电阻R_r1、R_r2、R_r3串联后连接所述控制器连接功率电阻端。

由于本实用新型直流电加热炉炉衬膨胀变形保护电路采用了上述技术方案，即利用罗氏线圈检测电加热器的输入和输出电流，以检测炉衬在膨胀变形时电加热器的漏电流，罗氏线圈检测该漏电流信号，将该信号输入放大器，该信号经放大器放大整形后与比较器的设定值进行比较，该漏电流信号小于设定值时，说明炉衬膨胀变形较小，电加热炉依原设定工作，当该漏电流信号大于设定值时，则比较器输出信号至执行模块，执行模块继电器动作，继电器的触点将调节电加热炉温度的功率电阻短路，降低电加热炉的温度，上述设定值可依据炉衬膨胀变形的严重程度设置多级设定值，本电路可根据多级设定值分节调节电加热炉的温度，避免炉衬的进一步变形而碰触到电加热器，从而避免电加热炉的损坏和引起安全事故。实现对金属炉衬膨胀变形的有效抑制。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明：

图1为本实用新型直流电加热炉炉衬膨胀变形保护电路的框图，

图2为本实用新型直流电加热炉炉衬膨胀变形保护电路的原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型直流电加热炉炉衬膨胀变形保护电路包括电加热炉控制器6和电加热器5，所述控制器6设有连接功率电阻7的端子，所述功率电阻7用以调节所述电加热炉的温度，还包括信号检测和放大模块1、比较模块2、执行模块3，所述信号检测和放大模块1检测电加热炉炉衬膨胀变形信号并将该信号放大，其输出端连接所述比较模块2的输入端，所述比较模块2将所述信号检测和放大模块1输入的信号与设定值4比较，其输出端连接所述执行模块3的输入端，所述执行模块3包括若干功率电阻7并根据所述比较模块2输入的信号调节所述电加热炉的温度，所述若干功率电阻7串联后接入所述控制器6连接功率电阻的端子。

如图2所示，上述信号检测和放大模块1包括罗氏线圈CT、差分放大器A4和电阻R1，所述罗氏线圈CT输入端与所述电加热器并联，其输出端连接所述差分放大器A4的正、负输入端，所述电阻R1并联于所述差分放大器A4的正、负输入端；

上述比较模块2包括比较器A1、A2、A3和设定电阻R2、R3、R4、R5，所述信号检测和放大模块1差分放大器A4的输出端分别连接所述比较器A1、A2和A3的正输入端，所述电阻R2、R3、R4和R5串联连接，所述电阻R2的另一端连接电源正端，所述电阻R5的另一端接地，所述电阻R2和R3的连接点连接比较器A1的负输入端，所述电阻R3和R4的连接点连接比较器A2的负输入端，所述电阻R4和R5的连接点连接比较器A3的负输入端；

上述执行模块3包括三极管Q1、Q2、Q3，继电器驱动电阻R6、R7、R8，三极管限流电阻R9、R10、R11，继电器J1、J2、J3，功率电阻R_r1、R_r2、R_r3，所述比较模块2比较器A1、A2和A3的输出端分别通过三极管限流电阻R9、R10、R11连接三极管Q1、Q2、Q3的基极，所述继电器驱动电阻R6、R7、R8一端分别连接所述比较模块比较器A1、A2和A3的输出端，所述继电器驱动电阻R6、R7、R8的另一端接地，所述三极管Q1、Q2、Q3的发射极接地，所述继电器J1、J2、J3的线圈一端连接电源正端，其另一端分别连接三极管Q1、Q2、Q3的集电极，所述继电器J1、J2、J3的触点K1、K2、K3分别与功率电阻R_r1、R_r2、R_r3并联，所述功率电阻R_r1、R_r2、R_r3串联后连接所述控制器连接功率电阻端。

本电路的原理是利用监测金属炉衬与电加热器碰触产生的漏电流，通过该漏电流的大小来获悉炉衬膨胀变形度，一旦变形过大那就会导致漏电流增大，本电路将自动调整电加热器工作功率，降低工作电流，使炉内温度降低或减缓温度升高速度，抑制炉衬继续膨胀。本电路又同时含有漏电保护作用，当电流突变至某一临界值时，电路将自动切断电加热器电源。

电加热器的电热丝两端可分为输入电流和输出电流，在理想环境工作中，电加热丝的输入电流等于输出电流，漏电流为0，而在实际生产过程中，电加热环境非绝缘环境，炉衬非绝对平整，炉壁长期受热导致绝缘性能下降，电加热丝的输入电流大于输出电流，这个差值就是漏电流。通常电加热器都有额定功率调节旋钮，可以根据需要来调节电加热器的额定功率，本电路将替代原有额定功率调节电阻，起到自动调节保护的作用。首先在电热丝的输入和输出两根电源线上连接一个罗氏线圈，罗氏线圈输出的电流值就是电热丝输入电流和输出电流的差值，当该差值为0时，罗氏线圈无输出电流，当电热丝的输入和输出电流不相等时，罗氏线圈就会有电流信号输出，通过监测该二次电流信号，就能得到漏电流的大小。本电路通过罗氏线圈测得漏电流大小，来与设定值进行比较，根据漏电流达到的严重程度来决定继电器的开启关闭，通过继电器的动作来调节功率电阻，进而调节电加热炉的温度，如果漏电流达到危险程度，本电路就会使电加热炉的温度下降，抑制炉衬继续膨胀，杜绝炉衬与加热器进一步接触。

如图2所示，I_ACT是罗氏线圈测得的漏电流，V₁是差分放大器A4的输出电压。

A₁、A₂、A₃是三个采用LM339的比较器。V₁为比较器A₁、A₂、A₃的比较电压V₁＝I_ACTR₁

V_cc为电源电压，R₂、R₃、R₄、R₅为根据实际漏电流防护级别所设置的电阻，

$V_{c1}=\frac{V_{\mathrm{cc}}}{R_2+R_3+R_4+R_5}\·(R_3+R_4+R_5)---\left(1\right)$

V_c1为漏电流达到最高级别的第一级比较电压

$V_{c2}=\frac{V_{\mathrm{cc}}}{R_2+R_3+R_4+R_5}\·(R_4+R_5)---\left(2\right)$

V_C2为漏电流达到次高级别的第二级比较电压

$V_{c3}=\frac{V_{\mathrm{cc}}}{R_2+R_3+R_4+R_5}\·R_5---\left(3\right)$

V_C3为漏电流达到最低级别，第三级比较电压

显然，V_c1＞V_c2＞V_c3

另外图2中，J₁、J₂、J₃是三个同样型号的继电器，R_r1、R_r2、R_r3是调节电加热器额定功率的功率电阻，且满量程额定功率对应的调节电阻为R_r1+R_r2+R_r3。

当漏电流I A_CT在正常范围内时，比较电压V₁＜V_c3，比较器A₁、A₂、A₃均处于关闭状态，继电器J₁、J₂、J₃无动作，开关K₁、K₂、K₃处于开路，电加热器处于满额定功率工作状态。

当漏电流I A_CT达到最低级别且未达到次高级别时，V_c1＞V_c2＞V₁＞V_c3，比较器A₃开启、比较器A₁、A₂处于关闭状态，继电器J₃发生动作，开关K₃闭合，功率电阻R_r3被短路，电加热器额定功率调节电阻变小，额定功率变小，为正常额定功率值的。当膨胀情况好转，漏电流I A_CT恢复到正常范围内时，K₃恢复开路状态，加热器继续在满额定功率下工作。

当炉壁膨胀情况继续恶化，漏电流I A_CT持续增大，达到次高级别且未达到最高级别时，V_c1＞V₁＞V_c2＞V_c3，比较器A₂、A₃开启，比较器A₁处于关闭状态，继电器J₂、J₃发生动作，开关K₂、K₃闭合，功率电阻R_r2、R_r3被短路，电加热器额定功率调节电阻变得更小，额定功率继续变小，是正常额定功率值的

当膨胀情况略有好转，漏电流I A_CT恢复到最低级别时，V_c2＞V₁＞V_c3，K₃继续闭合状态，K₂开路，额定功率上升。

当炉壁膨胀情况恶化到最高级别时，漏电流I A_CT升高到了危险值，达到了需要切断电源的最高级别时，V₁＞V_c1＞V_c2＞V_c3，所有的比较器开启，继电器J₁、J₂、J₃都发生动作，电加热器额定功率变为0，电加热器停止工作，直到漏电流I A_CT恢复到低于危险值后，三个继电器出现相对应的动作，进入相应工作级别，加热器恢复工作。

需要注意的是，R₂、R₃、R₄、R₅值的确定，直接影响到三个工作状态，漏电流临界值的设置是由R₂、R₃、R₄、R₅确定，且这四个值有一定联系，非随意取得。

考虑到电路运行在最佳条件，R₁一般取500Ω，R₂取1KΩ。A_ct1代表达到危险值的漏电流，属允许最大漏电流，A_ct2代表达到次高值的漏电流，A_ct3代表达到最低级别的漏电流。

通过上述(1)，(2)，(3)式计算得出

$R_3=\frac{A_{\mathrm{ct}1}-A_{\mathrm{ct}2}}{V_{\mathrm{cc}}-A_{\mathrm{ct}1}\·R_1}\·R_1\·R_2$

$R_4=\frac{A_{\mathrm{ct}2}-A_{\mathrm{ct}3}}{V_{\mathrm{cc}}-A_{\mathrm{ct}1}\·R_1}\·R_1\·R_2$

$R_5=\frac{A_{\mathrm{ct}3}}{V_{\mathrm{cc}}-A_{\mathrm{ct}1}\·R_1}\·R_1\·R_2$

电路中的R₆、R₇、R₈为继电器的驱动电阻，取10KΩ。R₉、R₁₀、R₁₁为三极管Q₁、Q₂、Q₃的限流电阻，考虑到本电路需要较快的响应时间，R₉、R₁₀、R₁₁取2.7KΩ。

根据本电路的工作原理，本电路还具备扩展性能，可以根据电加热炉的需要扩展多级设定，多级比较和多级控制；漏电流监测精度达到0.1A，完全可以满足工业现场漏电流监测精度，继电器的动作直接由漏电流来驱动，动作准确迅速，能达到工业装置的保护要求。由于采用二次回路监测，所需电源小，对原装置无影响，能源消耗极少。

Claims (2)

1、一种直流电加热炉炉衬膨胀变形保护电路，包括电加热炉控制器和电加热器，所述控制器设有连接功率电阻的端子，所述功率电阻用以调节所述电加热炉的温度，其特征在于：还包括信号检测和放大模块、比较模块、执行模块，所述信号检测和放大模块检测电加热炉炉衬膨胀变形信号并将该信号放大，其输出端连接所述比较模块的输入端，所述比较模块将所述信号检测和放大模块输入的信号与设定值比较，其输出端连接所述执行模块的输入端，所述执行模块包括若干功率电阻并根据所述比较模块输入的信号调节所述电加热炉的温度，所述若干功率电阻串联后接入所述控制器连接功率电阻的端子。

2、根据权利要求1所述的直流电加热炉炉衬膨胀变形保护电路，其特征在于：

所述信号检测和放大模块包括罗氏线圈、差分放大器和电阻R1，所述罗氏线圈输入端与所述电加热器并联，其输出端连接所述差分放大器的正、负输入端，所述电阻R1并联于所述差分放大器的正、负输入端；

所述比较模块包括比较器A1、A2、A3和设定电阻R2、R3、R4、R5，所述信号检测和放大模块差分放大器的输出端分别连接所述比较器A1、A2和A3的正输入端，所述电阻R2、R3、R4和R5串联连接，所述电阻R2的另一端连接电源正端，所述电阻R5的另一端接地，所述电阻R2和R3的连接点连接比较器A1的负输入端，所述电阻R3和R4的连接点连接比较器A2的负输入端，所述电阻R4和R5的连接点连接比较器A3的负输入端；

所述执行模块包括三极管Q1、Q2、Q3，三极管偏置电阻R6、R7、R8、R9、R10、R11，继电器J1、J2、J3，功率电阻R_r1、R_r2、R_r3，所述比较模块比较器A1、A2和A3的输出端分别通过偏置电阻R9、R10、R11连接三极管Q1、Q2、Q3的基极，所述偏置电阻R6、R7、R8一端分别连接所述比较模块比较器A1、A2和A3的输出端，所述偏置电阻R6、R7、R8的另一端接地，所述三极管Q1、Q2、Q3的发射极接地，所述继电器J1、J2、J3的线圈一端连接电源正端，其另一端分别连接三极管Q1、Q2、Q3的集电极，所述继电器J1、J2、J3的触点分别与功率电阻R_r1、R_r2、R_r3并联，所述功率电阻R_r1、R_r2、R_r3串联后连接所述控制器连接功率电阻端。

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